基于HY-SWMM的小区内涝模拟分析

杨洪，李东原

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司）

1 引言

近年，由于城市气候条件的改变，城市暴雨频次、降雨历时和降雨量都有增加的趋势，同时城市排水管网建设标准偏低、路面硬化率高、绿化率低，导致降雨超过雨水设施消纳能力，地面产生积水，形成内涝。

基于内涝问题的复杂性，越来越多的学者采用技术软件和模型对内涝过程进行模拟分析，寻求内涝产生的原因和解决办法。鸿业暴雨排水及低影响开发模拟系统(HY-SWMM)基于AutoCAD平台[1]，能够建立三维数字高程模型，绘制径流曲线、水质曲线、水深曲线等各种曲线，对降雨过程进行可视化动态水力剖面模拟、平面及三维淹没分析等。

以成都市某小区为例，结合具体时期暴雨情况，研究区域暴雨时内涝淹没分析。建立相应的降雨模型、管网数据和地形模型，取得内涝区域模拟面积，淹没深度，进而找出内涝产生原因，提出针对性改造措施。

2 研究区域概况

本项目位于成都市某小区，占地约6.67hm2(100亩)，绿地率约30%，容积率约30%，区内地势东北高西南低，标高范围为527.1m～495.9m。小区户型为联排别墅，每户自带下沉式庭院，屋面和下沉式庭院雨水通过末端雨水泵井提升排入小区雨水主管，小区雨水主管管径为d300mm～d500mm，小区雨水管末端排入南侧市政雨水管道。市政雨水主管管径为d500mm～d800mm。

2018年至2020年，连续三年在7月至8月间，该区域均遭遇50a一遇强降雨，造成区域产生积水，内涝严重，对小区居民生活造成较大影响。

3 建立模型

3.1 HY-SWMM内涝模拟功能简介

内涝模拟主要步骤分为建立数字高程模型、模拟准备、模拟计算、淹没分析计算、模拟结果展示和数据分析。

①数字高程模型：对地形图资料中的高程点或等高线进行识别，根据高程数据生成地形曲面。

②模拟准备：运用模拟软件布置雨水管道，对汇水区域进行划分，布置参数块，上述步骤在鸿业管立得软件中均可以完成。

③模拟计算：绘制雨量计，通过降雨区暴雨强度公式或气象降雨数据读取生成降雨雨型，在模拟选项中对降雨区下垫面参数进行修正，执行模拟计算过程。

④淹没分析：对模拟计算中定义的方案进行淹没分析，得出计算结果。

⑤模拟结果分析：对淹没区域进行动态模拟，给出积水深度和积水量，绘制水深曲线图和水量曲线图，并可在三维视角下进行降雨过程展示。

3.2 模型构建关键因素

3.2.1 建立工程雨量数据

在模拟前，需要生成降雨所在地的降雨雨型。目前降雨雨型的获得方式有两种，一种是暴雨强度公式生成，另一种是气象监测站的降雨数据读取。因降雨发生地实时降雨数据不易获取，本次模拟采用暴雨强度公式生成降雨雨型，选用成都市暴雨强度公式(新修订版)。

参照《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》和赵刘伟等人[3]对成都市中心城区暴雨雨型的研究成果。芝加哥雨型受历时影响较小，洪峰流量相对稳定，在缺少气象资料的条件下本文选用芝加哥雨型。根据模拟需求重现期取值为1年、5年和50年，降雨历时1小时，雨量数据图如图1所示。

图1 成都市暴雨重现期1a、5a和50a雨量数据图

3.2.2 汇水区参数确定

根据小区地形和现状管网资料，对研究区域构建数字高程模型，模拟计算统计结果显示汇水区域13个，雨量计3个，连接节点22处，排出口3个，汇水区域总面积26.68hm2。

3.2.3 地表产汇流参数设定

根据雨量数据绘制出雨量计，模拟计算时选择不同条件对应的雨量计，在模拟选项中调整模拟内容、计算方式以及模拟时间。

小区下垫面类型主要为屋顶、水景、绿地和道路，内涝模拟地块产流计算方式采用径流系数法。对汇水区域的径流系数进行加权平均得出综合径流系数，同时采用动态波法进行管网系统汇流计算。

3.3 模拟过程

针对本案例研究对象构建的HYSWMM模型，分别以重现期为1a、5a和50（a均为1h短历时设计降雨）作为变量条件，对小区现状管网的运行情况进行模拟。以研究区域的雨水管道系统为研究对象，在不同重现期下对管网的过流能力进行评估。对研究区域50a重现期条件下的内涝产生过程进行淹没分析。以关键积水点为研究对象，对积水点的水深、水量变化进行动态分析。

4 分析及结果

4.1 现状雨水管网重现期校核评估

对小区内部雨水主管网和相连市政主干管网重现期进行校核评估，在不同设计重现期（1a、5a和50a）条件下进行模拟计算。结果表明模拟管网重现期存在不同程度的年限差异，重现期小于1a、重现期等于1a、重现期等于5a和重现期等于50a四种不同重现期下的管网长度占管网总长度比值分别为25.6%、33.9%、22.6%和17.9%。可以得出模拟范围内低重现期（≤1年）管网长度占比较大，同时小区内部管网大部分处于低重现期。在强降雨时，管道过流能力不足，易造成管网满流带压运行，形成积水。

4.2 淹没分析

针对研究区域进行淹没分析计算，可以通过AutoCAD软件对地面积水情况进行动态二维或三维展示，直观了解小区局部积水随时间的变化情况。通过淹没深度分析得出各积水点的最大积水量和最大积水深度，图2可以看出研究区域在重现期50a条件下有15处积水点，图示积水范围出现在最大积水深度时，并且各积水点的最大积水深度处于模拟时间2h的不同时刻，这是由不同汇水区域具有不同的产汇流时间所引起的。

图2 研究区域重现期50a时积水点分布图

在1h的降雨历时和2h的模拟分析时间条件下，模拟结果显示积水情况比较严重的情况出现在积水点01和积水点02，积水量和积水深度曲线图如图3。积水点01的最大积水量为1497m³，最大积水深度为2.22m，积水点02的最大积水量为211m³，最大积水深度为0.64m，两处积水点与实际降雨条件下观测的积水情况基本一致。通过对整个小区竖向高程和现状排水设施分析得出，积水点01所处的位置为区域最低处，同时也是地下车库出入口。东西两侧道路坡度大，加之北侧地块正处于开发之中，暴雨时，三面雨水迅速汇集至积水点01，而现状雨水管网管径偏小，过流能力不足，从而导致积水点01长时间大量积水。积水点02主要是由于雨水支管管径偏小，管道局部存在反坡，过流能力不足引起。

图3 两处积水点积水深度与积水量变化曲线图

市政主干管汇水区域存在积水点09、积水点11和积水点14，主要是由于雨水主干管管径偏小，过流能力不足，导致地面产生积水的现象。

5 改造措施

针对小区现状雨水管网降雨重现期校核评估和暴雨时淹没分析结果，提出以下改造措施。

①研究区域北侧设置截洪沟，拦截北侧开发地块洪水，防止区域外洪水入侵。

②对校核重现期低、过流能力不足的控制管段进行改造，同时对雨水管网进行全面清淤处理，以提高管网排水能力[2]。

③积水点01所在小区道路竖向设计不合理。对现状道路进行平面和纵向改造，将道路最低点从地下停车场出入口范围改造至中庭水系，同时在车库坡顶和坡底增加截水沟和雨水泵井。

④小区内涝防治是一个影响因素众多的综合性难题。以上的工程性措施是基础，同时还要辅助一些非工程性措施，如排水设施的日常维护、成立防汛小组、制定防洪抢险预案等，只有两方面相结合才能从根本上解决小区内涝问题[3]。

6 结语

基于成都市某小区，构建HY-SWMM模型，对研究区域的管网重现期进行校核评估。结果表明59.5%的现状管网设计重现期≤1年，管网过流能力较低增加了小区产生内涝的风险。

在50a降雨重现期条件下，对研究区域进行淹没分析，发现有15处积水点，其中2处积水点积水严重，通过淹没分析可以直观展示积水点淹没范围和积水深度，与实际发生情况基本一致，证实HYSWMM内涝模拟分析的可靠性。